CN101621282A - 一种毫米波单片集成低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

一种毫米波单片集成低噪声放大器，属于电子技术领域，涉及毫米波单片集成低噪声放大器(LNA)。电路结构上，本发明为包括两个朗格电桥和连接于两个朗格电桥之间的两路(平衡式)五级放大结构，整个放大器电路集成于单片砷化镓或硅片上。本发明采用PHMET工艺，噪声性能优异；采用输入共轭匹配和噪声匹配同时实现高增益和低噪声；在偏置方面，本发明去掉了传统LNA中直流偏置用的四分之一波长线，大大缩小了芯片面积。并采用自给偏置方式，节省了电源和器件数目；采用两个朗格电桥构成平衡式结构，提高了LNA的稳定性和最大输出功率、改善了LNA的驻波和噪声性能。本发明可应用于雷达、通讯等系统中。

Description

一种毫米波单片集成低噪声放大器

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及毫米波单片集成低噪声放大器(LNA)，可直接应用于雷达、通讯等系统。

背景技术

现今，大多数毫米波接收机是外差式电路，为了检测小信号一般都在前级用低噪声放大器放大接收信号来克服后级的噪声。低噪声放大器是毫米波接收前端系统的关键单元之一，它位于接收机的第一级，直接与天线信号相连。由于其位于接收机的第一级，所以它的噪声特性将大大影响整个系统的噪声特性。同时天线下来的信号一般较弱，低噪声放大器本身具有的噪声特性所引起的灵敏度将影响到是否能正确接收信号，并把有用信号完整的传输到下一级。同时，低噪声放大器需要呈现一个特定的输入阻抗，以便和天线实现阻抗匹配。

LNA的一般要求为噪声系数低、增益高。在接收链路中，后面级的噪声可由LNA的增益引入，并且LNA的噪声被直接注入所接收的信号。因此，LNA必须提高所希望的信号功率并同时加入尽量少的噪声和失真，以便能在系统后面级中重获该信号。

目前普遍应用的低噪声放大器多为混合电路和模块电路，主要实现方式是通过单个晶体管和外围匹配电路组成，这类低噪声放大器的主要缺点有：体积大、一致性不好等。

随着微波毫米波通信技术的迅速发展，人们对通信设备的要求越来越高，体积小，重量轻，可靠性高，稳定性好等优点使得微波单片集成电路(MMIC)在微波通信领域逐渐取代了波导系统和混合集成电路。

微波单片集成电路是用半导体工艺把有源器件、无源器件和微波传输线、互连线等全部制作在一片砷化镓或硅片上而构成的集成电路。

发明内容

本发明提供一种基于PHMET工艺的毫米波波段单片低噪声放大器，以克服混合低噪声放大器电路中一致性差、体积大和单片集成低噪声放大器中噪声系数与带宽、输入匹配间的矛盾、工作带宽窄，输入阻抗匹配困难的缺点，在保证低的噪声的同时，提高单片低噪声放大器的驻波性能使其达到体积小一致性好的目的。

本发明技术方案为：

一种毫米波单片集成低噪声放大器，如图4所示，包括输入朗格电桥、输出朗格电桥、连接于输入朗格电桥的直通输出端和输出朗格电桥直通输入端的第一放大支路、连接于输入朗格电桥的耦合输出端和输出朗格电桥耦合输入端的第二放大支路。整个放大器电路集成于单片砷化镓或硅片上。

所述第一放大支路和第二放大支路为相同的电路结构，均为五级放大电路结构。所述五级放大电路结构中，每一级放大单元之间通过隔直耦合电容相连；第五级放大单元与输出朗格电桥之间也通过隔直耦合电容相连。所述每一级放大单元均为相同的电路结构：放大器件为PHEMT三级管，其栅极与栅极匹配及偏置电路相连，其源极通过源极匹配及偏置电路接地，其漏极通过漏极匹配及偏置电路输出本级放大信号。所述栅极匹配及偏置电路为一个T型微带传输线，T型微带传输线的垂直端接地，T型微带传输线的水平右端接PHEMT三级管的栅极，PHEMT三级管的水平左端接本级放大单元的输入信号。所述源极匹配及偏置电路由一段微带传输线和一个RC并联支路相串联而成。所述漏极匹配及偏置电路由一个T型微带传输线、漏极偏置电压信号Vds和一个旁路电容构成：漏极偏置电压信号Vds通过旁路电容接地的同时接T型微带传输线的垂直端，T型微带传输线的水平左端接PHEMT三级管的漏极，T型微带传输线的水平右端输出本级放大单元的放大输出信号。

本发明技术方案具有以下一些特点：

一、在提高低噪声放大器的噪声性能方面，本发明：

(1)选择栅长更短的FET工艺。栅长越短，跨导gm越大，栅源电容Cgs越小，这些都对减小噪声系数有利。

(2)选择载流子迁移率高的FET工艺，迁移率越高，跨导gm越大，噪声越小。这也是为什么PHEMT工艺噪声性能优于HEMT和MESFET工艺的原因。

(3)折衷选择器件的栅宽和叉指数，做到既降低Rn、Rg、RS，又兼顾Cgs。

(4)合理选择器件的直流偏置点。据工程经验，噪声最小值的工作电流在漏源饱和电流的10％到15％之间。

二、在提高增益、减小噪声方面，本发明采用了输入共轭匹配和噪声匹配同时实现低噪声放大器：

在源与晶体管的输入阻抗之间实现共轭匹配可获得最大功率传输，此时的源反射系数为S₁₁ ^*，但是这种匹配通常不能得到最小的噪声系数。相应地，为了获得最小的噪声因子Fmin，存在一个最佳源阻抗Zopt(或是反射系数Γ_opt)。一般情况下Γ_opt不同于S₁₁ ^*。这就意味着实现最小噪声系数的放大器，设计必然偏离最大功率传输的匹配条件，有一定程度的失配。要解决该问题，则需选择合适的结构，使器件的Γ_opt和S₁₁ ^*彼此靠近。

本发明采用输出加载的串并联组合反馈方式，该方式能够使Γ_opt和S₁₁ ^*相互靠近并可应用于单片低噪声放大器。

当应用到FET时，该技术的原理是通过调节FET源极串联负反馈电感的电感量，能够使Γ_opt和S₁₁ ^*彼此更加接近，直至二者重合，从而得到一个同时噪声匹配和功率匹配的低噪声放大器。图1是带有串联负反馈的FET低噪声放大器的等效电路，可以得到输入阻抗Z_in具有如下表达式：

$Z_{\mathrm{in}}=(R_{\mathrm{ch}}+R_{\mathrm{ds}}+\frac{g_m{L}_s}{C_{\mathrm{gs}}})+\mathrm{j\ω}{L}_S+\frac{g_m{R}_S}{\mathrm{j\ω}{C}_{\mathrm{gs}}}+\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_{\mathrm{gs}}}---\left(1\right)$

从上式可以看出，输入阻抗Z_in随器件本身参数、串联负反馈以及输出负载的变化而变化，所以共轭匹配源反射系数S₁₁ ^*与器件本身参数、串联负反馈以及输出负载都相关。而Γ_opt仅受到器件本身参数和串联负反馈的影响。所以，可以找到一个合适的器件栅宽、反馈量和输出负载，使S₁₁ ^*和Γ_opt相等。在实际的设计中，器件的栅宽是控制S₁₁ ^*和Γ_opt二者彼此接近的一个重要参数，在每个不同的频率点都有不同的最佳栅宽。

三、在减小芯片面积、降低成本和体积方面，本发明将栅极匹配及偏置电路用一个并联分支线(即T型微带传输线)来实现。

传统LNA的匹配电路和偏置电路是分开的，如图2(a)所示，偏置电路会占很大面积，这在MMIC的设计中是不允许的，因此我们把偏置电路和匹配电路用一个并联分支线来实现，如图2(b)所示，去掉了直流偏置用的四分之一波长线，大大缩小了芯片面积(实际的栅极匹配及偏置电路由于采用了下述自给偏置电路，在栅极采用了短路式匹配及偏置电路，从而节省了一个旁路电容和栅极偏置电压信号)。

四、为了减少供电电源数目，采用了自给偏置电路

自给偏置电路是在PHEMT的源极串联一个电阻RS，当漏极电流ID流过该电阻时，在它的两端将产生电压降，栅极对直流接地，因此电阻RS上产生的偏压就是栅源电压，即

VGS＝VG-VS＝-VS＝-IDRS    (2)

本发明采用如图3所示的自给偏置电路，栅极采用短路式匹配及偏置电路，可以同时实现射频匹配和直流短路。在源极采用串联高阻抗微带线实现源极负反馈，同时为了避免引入电阻造成的射频能量衰减和增益下降，在源极电阻RS处并联一旁路电容CS，以形成射频回路，避免射频信号流过电阻时造成衰减。

五、为了提高稳定性改善器件驻波、噪声性能和最大输出功率，本发明采用两个朗格电桥构成平衡式结构。

晶体管内部都存在反馈，S参数的S12就表示内部反馈量，它是电压波的反向传输系数。S12越大，内部反馈越强。反馈达到一定强度时，将会引起放大器的稳定性变化，甚至产生自激。

放大器的稳定性是放大器设计中需要考虑的非常重要的因素，一般用两个稳定性因子(k和b)来判断电路的稳定性，k＞1，b＞0电路就是绝对稳定的。

$k=\frac{1-{\left|S_{11}\right|}^2-{\left|S_{22}\right|}^2+{\left|\mathrm{\Δ}\right|}^2}{2\left|S_{12}{S}_{21}\right|}---\left(3\right)$

b＝1+|S₁₁|²-|S₂₂|²-|Δ|²     (4)

其中

Δ＝S₁₁S₂₂-S₁₂S₂₁            (5)

本发明设计的单片低噪声放大器工作在Ka频段，在考虑放大器稳定性时，不仅要考虑放大器在工作频段内的稳定性，还要考虑放大器在低频段的稳定性，因为在低频段放大器增益更大，更容易产生自激振荡。一旦放大器在某频点产生自激振荡，即使该频点不在我们所设计的放大器工作频带内，放大器的放大特性也会被破坏。另外，对一个多级级联放大器，即使它的总k因子大于1，它也可能振荡，必须对包含有源器件的所有内部二端口网络以及整个电路都要进行稳定性分析，才能保证放大器的稳定性。

朗格电桥(Lange coupler)的作用是在很宽的频带内，实现把一路输入信号变成幅度相等，相位相差90°的两路输出信号。它将偶合的两条微带导体分裂成指状，交替安装，以实现紧偶合，Lange coupler相对与定向耦合器最大的优点是大大提高了工作带宽。与分支线定向偶合器相比，Lange coupler还具有结构紧凑的优点，因此很适合在单片集成电路中使用。

采用朗格电桥构成的平衡式低噪声放大器提高了期间的稳定性，并且改善了驻波、噪声等性能。

综上，本发明的有益效果可以概述为：

1、本发明在输入端同时实现了共轭匹配和噪声匹配，提高了整个器件的噪声性能。

2、本发明将偏置电路和匹配电路用一个并联分支线来实现，并采用自给偏置电路，简化了电路，减小了芯片面积，降低了成本和体积。

3、本发明采用两个朗格电桥构成的平衡结构，提高稳定性、改善了驻波性能和提高了输出功率。

附图说明

图1是带有串联反馈的FET LNA的等效电路示意图。

图2是LNA的栅极匹配及偏置电路示意图。其中(a)是传统LNA的栅极匹配及偏置电路；(b)是本发明提供的LNA的栅极匹配及偏置电路(本发明由于采用自给偏置电路结构，具体电路有所不同)。

图3是本发明提供的LNA的自给偏置电路结构示意图。

图4是本发明提供的一种MMIC平衡式五级低噪声放大器电路图。

图5是本发明提供的一种MMIC平衡式五级低噪声放大器的增益测试曲线。

图6是本发明提供的一种MMIC平衡式五级低噪声放大器的噪声系数测试曲线。

图7是本发明提供的一种MMIC平衡式五级低噪声放大器的反射系数测试曲线。

具体实施方式

采用OMMIC公司的0.15μm PHEMT工艺设计Ka频段宽带低噪声放大器芯片。

五级低噪声放大器芯片电路拓扑结构设计：

根据低噪声放大器芯片的增益和噪声系数指标要求，选择平衡式五级共源放大结构，如图4所示。输入、输出阻抗为50欧姆，再输入输出段各加一个朗格电桥，放大器链路中每一级的输入、输出端都有隔直耦合电容。第一、二级放大器的噪声性能对整个放大器的噪声性能起决定性作用，但同时它也必须提供足够的增益G1、G2以抑制后面各级产生的噪声，所以第一、二级放大器必须综合考虑噪声匹配和增益匹配。根据前面的分析，可以通过调节第一、二级放大器有源器件的栅宽和源极负反馈微带线的长度L，使最佳噪声匹配点(Γ_opt)尽可能的和共轭匹配点(S₁₁ ^*)接近，以同时达到最佳噪声匹配和共轭匹配。第三级和第四级为增益级，均采用共轭匹配，以获得高的增益，同时为保证放大器的稳定性，在第三、四、五级放大器有源器件的源极也引入了串联负反馈。

五级低噪声放大器芯片自偏置电路设计：

自给偏置电路是在PHEMT的源极串联一个电阻RS，当漏极电流ID流过该电阻时，在它的两端将产生电压降，栅极对直流接地，因此电阻RS上产生的偏压就是栅源电压，即

本发明采用如图3所示的自给偏置电路，栅极采用短路式匹配电路，可以同时实现射频匹配和直流短路。在源极采用串联高阻抗微带线实现源极负反馈，同时为了避免引入电阻造成的射频能量衰减和增益下降，在源极电阻RS处并联一旁路电容CS，以形成射频回路，避免射频信号流过电阻时造成衰减。

五低噪声放大器芯片整体电路设计：

五级低噪声放大器芯片中，有源器件选择耗尽型PHEMT器件，PHEMT管栅宽取30×4μm。为实现小的功耗，采用1.8V漏电压供电。由于所设计的低噪声放大器芯片带宽很宽，匹配电路设计以中心频率为基础，以保证中心频率附近有最好的电路性能。利用Agilent-ADS软件进行仿真和优化，所用的有源器件和无源元件模型由芯片代工厂的工艺库文件提供。

Claims (1)

1、一种毫米波单片集成低噪声放大器，包括输入朗格电桥、输出朗格电桥、连接于输入朗格电桥的直通输出端和输出朗格电桥直通输入端的第一放大支路、连接于输入朗格电桥的耦合输出端和输出朗格电桥耦合输入端的第二放大支路；整个放大器电路集成于单片砷化镓或硅片上；

所述第一放大支路和第二放大支路为相同的电路结构，均为五级放大电路结构；所述五级放大电路结构中，每一级放大单元之间通过隔直耦合电容相连；第五级放大单元与输出朗格电桥之间也通过隔直耦合电容相连；

所述每一级放大单元均为相同的电路结构：放大器件为PHEMT三级管，其栅极与栅极匹配及偏置电路相连，其源极通过源极匹配及偏置电路接地，其漏极通过漏极匹配及偏置电路输出本级放大信号；所述栅极匹配及偏置电路为一个T型微带传输线，T型微带传输线的垂直端接地，T型微带传输线的水平右端接PHEMT三级管的栅极，PHEMT三级管的水平左端接本级放大单元的输入信号；所述源极匹配及偏置电路由一段微带传输线和一个RC并联支路相串联而成；所述漏极匹配及偏置电路由一个T型微带传输线、漏极偏置电压信号Vds和一个旁路电容构成：漏极偏置电压信号Vds通过旁路电容接地的同时接T型微带传输线的垂直端，T型微带传输线的水平左端接PHEMT三级管的漏极，T型微带传输线的水平右端输出本级放大单元的放大输出信号。

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